Лазерное охлаждение газов (laser cooling) успешно реализуется учёными всего мира вот уже более тридцати лет. Однако охлаждение в полном соответствии с теорией удалось получить только теперь.

Как ни странно, но лазер действительно умеет не только нагревать и резать, но и охлаждать материю. Только для этого ему необходимы некоторые особые условия.

Эта инфракрасная фотография
демонстрирует разницу температур
охлаждённого лазером газа
(голубой цвет) и окружающей его
стальной камеры (жёлтый и
красный цвета). Лазерный импульс
длился всего 30 секунд.
На шкале справа показано изменение
температуры в Кельвинах

Если говорить упрощённо, то электрон может перескакивать с более близкой к ядру атома орбиты на более высокую. Однако он не может проделать это сам по себе, его необходимо подкормить светом с соответствующей длиной волны. Известно, что красный свет имеет меньшую энергию, нежели синий. Потому красного лазера электрону может не хватить для прыжка.

Чтобы помочь ему это проделать, можно попробовать увеличить концентрацию атомов. Тогда они начнут сталкиваться между собой чаще, а орбиты электронов станут словно изгибаться. Благодаря этому процессу электрон сможет перескочить с ближней орбиты на дальнюю даже при красном освещении (ведь для этого понадобится меньше энергии).

Однако после столкновения орбиты вернутся на свои законные места, и электрону придётся где-то брать недостающую энергию, чтобы не свалиться обратно к ядру. Электрон занимает её у атома, отбирая у него кинетическую энергию. В результате атом замедляется, а так как скорость и температура суть две стороны одной медали, то газ охлаждается. Таким образом, бомбардировка лазером и приводит к охлаждению газа.

Все вышеприведённые рассуждения были сделаны ещё в 1975 году. Однако на практике всё оказалось гораздо сложнее. Высокое давление (концентрация) приводило к тому, что между собой сталкивались обычный и возбуждённый атомы. Из-за этого уже перепрыгнувший электрон возвращался на нижнюю орбиту, выбрасывал избыток энергии, а газ нагревался (то есть происходил обратный желаемому процесс).

Из-за этого ограничения учёным не удавалось взять для эксперимента максимальные концентрации вещества – приходилось довольствоваться малыми количествами атомов. Физики из университета Бонна впервые обошли это препятствие.

Схема эксперимента (иллюстрация Nature)

Для эксперимента они взяли смесь инертного газа аргона и следовых количеств атомов рубидия. Повысили температуру до 350 °C, а давление до 230 бар.

В таких условиях мы получили возможность стимулировать рубидий лазером с меньшей энергией. При этом газовая смесь охладилась на 70 градусов в течение нескольких секунд", — рассказывает один из авторов нынешней работы Мартин Вайц (Martin Weitz).

Плотный рубидиевый газ должен был бы стать твёрдым веществом (как положено в нормальных условиях). Но из-за высокой скорости охлаждения исследователи получили его в новом необычном переохлаждённом состоянии. И что самое главное в их распоряжении была не пригоршня атомов, а куда более реальный макроскопический объект.

Более подробно о проведённых экспериментах и их выводах можно узнать из статьи авторов, опубликованной в журнале Nature (на сайте arXiv.org есть также её препринт) и из пресс-релиза университета.

В будущем та же технология позволит создавать новые экстраординарные состояния разных веществ, и, к примеру, улучшит работу телескопов, сенсоры которых необходимо охлаждать для получения более чёткой картинки.